0 40
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Accroissement du gain à Fadm en % / (cl/dm²)
Densité de clou (cl/dm²) Fractile à 5 %
Figure 99 Accroissement du gain sous effort admissible en fonction de la densité de clouage
La performance de l’assemblage n’augmente plus significativement à partir d’une densité de clouage de 5,11 cl/dm², appelée densité de clouage significative. Ce résultat est obtenu avec l’hypothèse de 2 planches de module d’élasticité 18000 MPa et de densité 0,75.
Lorsque le module d’élasticité varie entre 16000 MPa et 20000 MPa, la densité de clouage significative oscille entre 4,80 et 5,35 cl/dm². En fait plus les propriétés en flexion des planches individuelles sont bonnes et plus l’assemblage prend de l’importance.
Remarque : l’effort admissible augmente par la même occasion, variant de 760 à 950 N.
La densité de clouage homogène significative est donc de l’ordre de 5 cl/dm².
De cette densité de clouage, il résulte : un gain initial G0 = 92,6 % ;
un effort plastique 668 N
une réduction du gain en fonction de l’effort de flexion de 0,0077 %/N (à partir de l’effort plastique)
un gain à l’effort admissible de G = 90,9 %
La flèche à l’effort admissible est alors de 12,7mm au lieu de 10mm lorsque les planches sont collées (et 40mm lorsqu’elles ne sont pas assemblées).
5 Conclusions
Les travaux entrepris dans cette thèse concernent la question : comment des poutres constituées de lames clouées peuvent elles présenter une rigidité suffisante en flexion, contrairement à des lames simplement boulonnées.
Les propriétés mécaniques des lames utilisées sont définis par la mesure de 2 paramètres: la densité et le module d’élasticité en flexion.
Les autres propriétés élastiques sont déterminées par les relations : ETr = 1600 x
ρ 0,65
1,5
GTrL = 1150 x
ρ 0,65
1,2
GRT = 380 x
ρ 0,65
1,7
nuLTr = 0,38 nuTrL = 0,042 nuTR = 0,52
Le contact des lames induit par le frottement une certaine résistance au cisaillement. Le coefficient de frottement varie en fonction de l’état de surface (de contact), de l’orientation des fibres, et de l’humidité du bois. Globalement les essais ont permis d’évaluer le coefficient de frottement bois sur bois pour le Gonfolo entre 0,45 et 0,65.
Une série d’essais a permis de définir le comportement non linéaire d’un clou travaillant en sollicitation de type cisaillement, pour un bilame cloué.
Ce comportement débute par une phase élastique, où une limite élastique de glissement est estimée à environ 0,015 mm et une limite de charge élastique de 200 N (soit une raideur de 13600 N/mm). Au-delà de ces limites, le comportement du clou est de type plastique, la relation force déplacement est (dans les conditions spécifiées de cette étude) :
F(u) = 475 x ρ Ln(16 x u + 1,7).
L’effort maximum de reprise d’effort en cisaillement d’un clou est de l’ordre de 800N, pour un glissement d’environ 3mm. L’estimation de l’effort d’arrachement varie entre 472N et 1026N selon les références de calculs utilisées.
D’autres essais réalisés sur des bilames cloués sollicités en flexion 4 points ont montré comment une densité de clouage suffisante permettait de se rapprocher de la rigidité que conférerait un collage pour ce bilame.
La modélisation par éléments finis (développée sur CASTEM) des lames clouées fléchies, utilisant la loi de comportement du clou résultant de l’expérimentation, permet de définir l’évolution de la performance du bilame en fonction de la densité de clouage et du niveau de chargement. La prise en compte du frottement n’a pas de conséquence marquée dans la reprise des efforts tangents (augmente le gain d’au plus 2 %).
La prédiction correspond bien avec les résultats expérimentaux, et un assemblage, caractérisé par une densité de clous pouvant être prédite par le modèle, permet de conférer une rigidité satisfaisante à une poutre lamellée clouée lorsqu’elle est sollicitée en flexion, ce qui permet de compenser la souplesse trop grande de l’assemblage simplement boulonné.
Ce type d’assemblage peut être amélioré en densifiant le plan de clouage au niveau des extrémités. Cependant le gain supplémentaire n’est pas très important et cette option est difficilement envisageable dans la pratique car elle nécessiterait un plan de clouage spécifique suivant la configuration des planches.
Il est possible d’utiliser l’outil numérique pour prédire le comportement d’une poutre quelconque réalisée avec plusieurs couches (plus de deux).
6 Perspectives
Les résultats obtenus montrent la possibilité de regagner suffisamment en rigidité pour la réalisation de poutres lamellées clouées boulonnées de grande portée. Pour aller plus loin sur la faisabilité de telles poutres il convient d’aborder successivement les étapes suivantes.
En premier lieu, il faut étendre la portée des résultats des travaux entrepris dans cette thèse.
Le modèle numérique aboutit à une prédiction du comportement d’un bilame de Gonfolo très proche de ce que l’on obtient par expérimentation. Le calcul par éléments finis permet de prédire le comportement en flexion d’une poutre lamellée clouée constituée de n planches, où n ≥ 3, avec différentes densités de clouage, la concordance avec l’expérimentation reste-t-elle bonne ?
Par ailleurs le Gonfolo présente une gamme de densité relativement réduite (0,65 à 0,75). En utilisant d’autres essences, sortant largement de cette gamme de densité, le modèle numérique permet-il toujours de prédire le comportement d’une poutre lamellée clouée ? Notamment, le comportement du clou reste-t-il valable en dehors de la gamme de densité du Gonfolo ?
Sur le marché guyanais, la disponibilité des essences dépend d’un grand nombre de paramètres. La plupart du temps, les professionnels de la seconde transformation du bois doivent, pour réaliser un ouvrage, mélanger les essences en conciliant les propriétés mécaniques, la durabilité, les couleurs, le séchage, les sections, le prix etc. Le Gonfolo étant l’essence la plus courante sur le marché guyanais de la charpente, l’étude a été limitée à cette essence.
Cependant, la réalisation d’une poutre lamellée clouée avec différentes essences induit :
− la vérification de la validité du modèle numérique prédisant le comportement en flexion de la poutre ;
− l’intégration des propriétés mécaniques spécifiques à chaque essence ;
− la vérification de l’extension du comportement de l’assemblage cloué en cisaillement avec des densités allant de 0,3 à 1,1 et des différences sensibles entre lames superposées.
Le deuxième point qu’il conviendrait d’étudier est la prise en compte des discontinuités des lames. Pour mémoire, le principe du lamellé est de réaliser une poutre de longueur et de retombée théoriquement illimitées à partir des lames tirées de planches courtes (maximum 7 mètres sur le marché guyanais).
Une poutre expérimentale constituée de 5 planches, de 27 mm d’épaisseur, avec une densité de clouage de 0,3 cl/dm², et une discontinuité dans chaque couche (distantes les unes des autres de 1 mètre au moins) a présenté une rigidité à peine équivalente à celle de deux planches continues non clouées. La médiocrité de ce résultat est due à des efforts transverses qui écartent les lames (délamination) au niveau de leur extrémité (celle réalisant le joint dans une même couche). Ces écartements engendrent des efforts d’arrachement des clous. La résistance en arrachement des clous étant faible, les pointes sortent de leur logement.
Ce point particulier est aussi redouté par les lamellistes dans la réalisation du lamellé collé.
Les joints d’aboutage en long des planches nécessitent un contrôle rigoureux, car même dans le bois massif la résistance aux efforts transverses est faible.
Une attention particulière doit être portée sur ces joints de discontinuité des lames afin de trouver des solutions réalistes : le boulonnage peut se faire à leur niveau afin de reprendre les efforts transverses ; des plaques métalliques, chevauchant les joints de discontinuité des lames et servant de « rondelle » de serrage pour les boulons placés de part et d’autre de ces joints, pourraient aussi limiter ce problème de discontinuité.
Il est indispensable de traiter cette question avec rigueur avant de proposer tout développement du procédé.
Ensuite, l’étude du comportement de la poutre lamellée clouée boulonnée en flexion ne peut se limiter à l’étude de sa rigidité ; Il convient d’étudier sa résistance et l’énergie dissipée dans la poutre pour parvenir à la rupture. La plus grande souplesse de ce type de poutre pourrait être utilisée comme avantage (en dissipant beaucoup d’énergie) dans les constructions antisismiques.
Egalement, le vieillissement des poutres lamellées clouées boulonnées doit être examiné.
Dans ce problème intervient le fluage du bois, mais aussi le comportement de l’assemblage cloué cisaillé sur une longue durée qui induit de l’écrasement des fibres (et donc l’aspect viscoélastique du bois) et le vieillissement même du clou (sa corrosion).
Enfin, une étude de faisabilité et une étude économique doivent être réalisées dans le contexte guyanais. Les dispositions techniques et les coûts à prendre en compte commencent depuis la scierie, en passant par le transport, la réalisation, le contrôle et la mise en œuvre, pour finir avec les assemblages.
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